CN103134583A

CN103134583A - 测试传感器在100g及以上振动加速度的方法

Info

Publication number: CN103134583A
Application number: CN2011103861988A
Authority: CN
Inventors: 包绍明; 余快
Original assignee: Chengdu CAIC Electronics Co Ltd
Current assignee: Chengdu CAIC Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-05

Abstract

利用本发明提出的一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，可以对工程中振动极限的探索拓宽到500g左右；同时通过对悬臂梁材料和长度改变可以调节共振频率，实现调节测试频率。本发明通过以下技术方案予以实现：首先用金属材质加工成悬臂梁，以被测传感器为质量块组成单元，将上述悬臂梁、质量块组成单元刚性的连接在振动台上，然后在振动台的一端，利用振动台施加小于100g的振动加速度，在共振频率下，使作为参考加速度测试点的被测传感器达到100g以上的加速度，当振动台施加的频率与悬臂梁、质量块组成单元的固有频率接近或相等时，质量块组成单元处产生共振，振动台加速度将会在这里放大若干倍。

Description

测试传感器在100g及以上振动加速度的方法

技术领域

本发明涉及一种振动测试方法，具体地说，本发明涉及一种测试传感器在100g及以上振动加速度的大振动测试方法。

背景技术

目前世界上最大的振动台空载最大加速度一般都不能超过150g，加上负载后往往低于100g，因此利用现有技术来实现可设定频率的长时间、100g以上高幅值的稳态振动测试十分困难。现阶段工程上对传感器的大振动，通常是通过给予瞬间的冲击加速度，获得所谓的半正弦波来实现的。这种方法的缺陷是很难获得理想的冲击波形，而且只能获得较高(1kHz以上)的振动频率。然而这种冲击的办法并不可靠，尤其是对脉宽的控制依靠缓冲材料来进行，因此很难获得理想的波形。同时，冲击的脉宽往往很窄，这就意味着冲击加速度的频率很高，往往在1kHz以上，那么要获得大位移的低频加速度就非常困难了。本发明克服了现有技术的缺陷，实现了设定频率的长时间、高幅值(100g以上)的稳态振动测试，对现实工程具有较为深远的理论探索意义。目前，国内外还没有任何成熟的系统或技术可以实现频率可调的稳态的大加速度(100g以上)的振动。

发明内容

本发明的任务是提出一种振动频率可调，能够实现测试振动传感器稳态的大g值振动，用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，以克服传统冲击测试方法的缺陷。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先用金属材质加工成悬臂梁，以被测传感器为质量块组成单元，将上述悬臂梁、质量块组成单元刚性的连接在振动台上，然后在振动台的一端，利用振动台施加小于100g的振动加速度，在共振频率下(根据悬臂梁的不同，该频率一般在1Hz～5000Hz范围内)，使作为参考加速度测试点的被测传感器达到100g以上的加速度，当振动台施加的频率与悬臂梁、质量块组成单元的固有频率接近或相等时，质量块组成单元处产生共振，振动台加速度将会在这里放大若干倍；控制振动台施加端标准传感器在共振频率点(定频)上施加稳态的振动值，即可用放大端标准传感器测试出振动台被放大的振动加速度大小和频率。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明通过以被测传感器为质量块单元，在振动台的一端，施加小于100g的振动加速度，通过悬臂梁的共振实现目前国内外没有任何成熟的系统或技术可以实现稳态的大加速度(100g以上，g为标准重力加速度)的振动，这种振动使得工程中对于振动极限的探索拓宽到500g左右；同时通过对悬臂梁材料和长度的改变可以调节共振频率，从而实现调节测试频率。

本发明可广泛应用于航空航天、船舶、兵器、民用机械等工程领域。如对于机载设备的可靠性强化测试，可以将本发明中的传感器改为各类型机载的设备仪器，同时将强悬臂梁的结构设计，仍然可以实现某些关键机载设备的大振动测试。又如对于振动传感器的测试，可以实现100g以上稳态振动的标定，从而在某种程度上实现替代靠冲击法标定的现状。

附图说明

图1是本发明测试传感器在100g及以上振动加速度方法的振动放大示意图。

图2是图1振动台激励振动放大原理图。

图3是本发明振动放大第一个实施方案的示意图。

图4是本发明振动放大第二个实施方案的示意图。

图中：1.悬臂梁，2.被测物，3.放大端标准传感器，4.调节悬臂梁长度的机构，5.施加端标准传感器，6.振动激励装置。

具体实施方式

参阅图1。在如下提供的最佳实施例中，悬臂梁和质量块组成单元分别由金属加工而成的悬臂梁1和被测传感器2组成，其中悬臂梁为金属材质，质量块组成单元则为被测传感器。

悬臂梁刚性连接在振动台上，质量块组成单元固联在悬臂梁1的自由端组成振动台激励振动放大机构(以下称振动激励装置)。该机构的基本原理是在某悬臂梁的固有频率点频率上，对其悬臂梁施加一个振动加速度a，产生共振后获得最大约30倍a的大加速度a′。在振动台的施加端，用振动台施加小于100g的振动加速度，在共振频率下(根据悬臂梁的不同，该频率一般在10Hz～2000Hz范围内)，共振效果将使作为参考加速度测试点的被测传感器达到100g以上的加速度。当振动台施加的频率与悬臂梁、质量块的固有频率接近或相等时，质量块组成单元处将产生共振，振动台加速度将会在这里放大若干倍，即可用放大端标准传感器来测试出振动台被放大的振动加速度大小和频率。

参阅图2。图2所示的原理图中m为被测传感器和标准传感器以及它们电缆的等效质量。将悬臂梁的一端固定在振动台上，悬臂梁的长度方向为水平方向，梁的横向为竖直方向，振动台的振动方向与梁的横向一致。设悬臂梁单位长度质量为ρ，自由端的质量为m，由材料力学可知，在自由端静载荷p的作用下，悬臂梁自由端的挠度为梁上任一点的水平坐标为x，则该处的挠度为

式中的EI为弯曲刚度，l为悬臂梁的长度。假设在自由振动中，悬臂梁各点的振幅近似地按此比例，则可设

y (x) = (\frac{3 l x^{2} - x^{3}}{2 l^{3}}) y_{0}

其中y(x)为任一点的振幅，y₀为梁自由端的振幅。设质量m的自由振动表示为y₀＝sin pt，梁的振动表示为y(x)＝y(x)sin pt。可以根据能量守恒法来计算其梁的动能最大值T_max，同样计算出梁的势能U，令二者相等后，可以获得一个该系统固有频率的计算公式：

f = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{3 EI}{(m + \frac{33}{140} ρl) l^{3}}} y_{0}

根据这个公式，在振动台施加激励a时，当施加激励的频率f₀与悬臂梁的固有频率f相等或接近时，质量m端将发生谐振，此时m端的振动加速度a′将为振动台端的振动加速度a的数倍甚至数十倍，从而起到了放大振动的作用。据此，可以设计一套如图3所示的振动放大装置。根据其测试的控制和精度上的要求，可增加两个标准传感器作为参考加速度的测试点。一个标准传感器(5)安装于振动台下，用以控制振动台的施加加速度，可以精确控制和监控这一施加加速度的大小和频率；另外，可以安装另一个标准传感器(3)于被测传感器(2)之下的位置，用以测试被放大的振动加速度大小和频率。该振动放大装置中的被测物(2)为被测传感器，放大端标准传感器(3)用于监控放大加速度的量a′。装置中的悬臂梁l，可以用较为轻质的铝合金等金属材料设计，同时可以看到悬臂梁的长度悬臂梁l是改变整个系统固有频率的关键参数。为此，可以在悬臂梁l的固定部位的尾端设计一个可以逐步调节悬臂梁长度的机构(4)，使图3中的悬臂梁长度l发生改变，从而改变整个悬臂梁-质量块系统的固有频率，最终将可以在任意频率下实现该系统的共振，以实现在一个比较宽频率范围内实现共振的效果。调节悬臂梁长度的机构(4)，可用螺纹控制其长度。通过螺纹控制其长度既可以缩短其悬臂梁的长度，也可以增加悬臂梁的长度。缩短l可以提高悬臂梁-质量块系统的固有频率，而增加l则可以减小悬臂梁-质量块系统的固有频率。施加端标准传感器(5)和振动激励装置(6)分别为控制监控施加振动a的标准传感器和施加振动的振动台或激励器。这种设计可以在一个较宽范围(通常为1Hz～5000Hz)内，都可以实现对被测传感器100g以上的大振动测试。

在图3所示的实施例中，描述了振动方向和悬臂梁长度方向相互垂直的一种振动放大结构。这种悬臂梁的安装与振动方向相垂直方式的结构是最典型的悬臂梁结构，目前也是使用最为广泛的结构模式。这种结构的特点在于设计简单，而且可以负载较为大的质量，可适用于对某些设备100g以上的大振动激励。

在图4所示的另一个实施例中，将悬臂梁的一端固定在振动台上，梁的长度方向为水平方向，梁的横向为竖直方向，振动台的振动方向与梁的长度方向一致。当振动台振动时，梁在水平方向也发生强迫振动，同样会在共振点发生共振。因此振动方向和悬臂梁长度方向一致的结构，这种结构也满足悬臂梁的数学模型，同样具有振动放大的功能。

以测试振动传感器为例，实际应用中，图3和图4的结构中悬臂梁l为金属的悬臂梁结构，如铝合金、钛合金、不锈钢等材料；被测物(2)，如果要监测传感器的输出状态，则还需要传感器输出端口连接上电缆，这样实际的质量应该也加入电缆的质量。放大端标准传感器(3)必须是大量程(500g以上)的振动传感器，例如B&K公司的8305振动传感器，确保这个传感器能够稳定在500g以上正常工作。为普通环境试验用或者校准用的振动激励装置(6)，如果需要放大较大的加速度，则该振动台尽量选用可施加大加速度(50g以上)的振动台。

测试时，首先需要用振动台对整个系统进行扫频，扫频频率一般为1Hz～5000Hz之间，扫频加速度为1g。观测放大端标准传感器在扫频过程中的输出，其最大输出的频率点即为共振频率点。然后用振动台在共振频率点(定频)上施加稳态振动，即可在自由端获得放大的加速度。振动台的振动值越大，则放大端的振动值也将随之增大，因此可以通过控制振动台的加速度大小来得到预期加速度值的自由端的振动。而调节悬臂梁长度的结构(4)的作用则在于改变其悬臂梁长度后，由此改变系统的共振频率，再重复上述扫频-定频的过程，可以实现1Hz-5000Hz范围内不同频率下100g以上的大振动测试的可能。

Claims

1.一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先用金属材质加工成悬臂梁，以被测传感器为质量块组成单元，将上述悬臂梁、质量块组成单元刚性的连接在振动台上，然后在振动台的一端，利用振动台施加小于100g的振动加速度，在共振频率下，使作为参考加速度测试点的被测传感器达到100g以上的加速度，当振动台施加的频率与悬臂梁、质量块组成单元的固有频率接近或相等时，质量块组成单元处产生共振，振动台加速度将会在这里放大若干倍；控制振动台施加端标准传感器在共振频率点上施加稳态的振动值，即可用放大端标准传感器测试出振动台被放大的振动加速度大小和频率。

2.如权利要求1所述的一种测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，悬臂梁刚性连接在振动台上，质量块组成单元固联在悬臂梁(1)的自由端组成振动台激励振动放大机构。

3.如权利要求2所述的一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，振动台激励振动放大机构的基本原理是在某悬臂梁的固有频率点频率上，对悬臂梁施加一个振动加速度a，共振获得最大30倍a的大加速度a′。

4.如权利要求3所述的一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，在悬臂梁l的固定部位的尾端还设有一个逐步调节悬臂梁长度的机构(4)，使悬臂梁长度l发生改变，用以改变整个悬臂梁-质量块系统的固有频率。

5.如权利要求4所述的一种用以测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，施加端标准传感器(5)和激励振动放大装置(6)分别为控制监控施加振动a的标准传感器和施加振动的振动台或激励器。

6.如权利要求1所述的一种测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，放大端标准传感器(3)是500g以上大量程的振动传感器。

7.如权利要求1所述的一种测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，测试时，首先用振动台对整个系统进行扫频，扫频频率为1Hz～5000Hz，扫频加速度为1g；然后用振动台在共振频率点上施加稳态振动，即可在自由端获得放大的加速度。

8.如权利要求1或7所述的一种测试传感器在100g及以上振动加速度的方法，其特征在于，放大端标准传感器在扫频过程中的最大输出的频率点为共振频率点。